国产卫星影像本底数据更新的实用方案——以地质灾害易发区遥感影像为例

张幼莹， 余江宽， 张丹丹， 林华暖

(1.中国国土资源航空物探遥感中心,北京 100083； 2.中国地质大学(北京),北京 100083)

国产卫星影像本底数据更新的实用方案
——以地质灾害易发区遥感影像为例

张幼莹1， 余江宽1， 张丹丹1， 林华暖2

(1.中国国土资源航空物探遥感中心,北京 100083； 2.中国地质大学(北京),北京 100083)

我国国产遥感卫星数据的日渐增多和应用领域的不断扩大，在遥感影像本底数据的更新中正在部分取代进口卫星数据而成为重要信息源。为此，以资源一号(ZY-1)02C和高分一号(GF-1)国产高分卫星影像为主要数据源，提出遥感影像本底数据更新的技术方案； 并以全国地质灾害易发区遥感影像本底数据更新为例，验证该方案的适用性。精度检查结果表明，更新后的数据能够满足1∶5万比例尺遥感影像本底数据的平面精度要求，技术方案合理可行，可为规模化开展遥感影像本底数据更新工作、拓宽国产高分卫星数据在地质灾害调查与监测等领域的实际应用提供重要的技术支持，具有一定的推广价值。

国产卫星； 资源一号(ZY-1)02C； 高分一号(GF-1)； 遥感影像本底数据； 更新

0 引言

遥感影像是空间信息的重要载体，利用遥感影像本底数据可为国土资源各专业应用提供最基础的信息支持。遥感影像本底数据的建立、应用乃至后续的数据更新是当前遥感研究的热点之一。我国目前已经建设了矿产资源遥感影像本底数据库[1]，将多分辨率、多数据源的海量影像数据进行有效的组织、管理和集成，成为科学合理地开发、保护与管理矿产资源的数据基础。土地利用动态监测工作已开展了数十年，近年来开始利用高分一号(GF-1)卫星进行土地利用变化信息提取和数据更新，并取得了可靠的成果[2]。国产卫星数据在上述工作中部分取代了进口卫星数据，节省了大量的数据购置费用支出。

我国是地质灾害频发的国家，为满足地质灾害调查与监测以及灾后重建等工作的需要，2006―2009年间在全国范围内进行了地质灾害易发区的分区划分和详细调查[3]，2012年开始利用现有的正射影像数据逐年建立了突发性地质灾害本底数据库[4]，其空间分辨率优于5 m。随着时间的推移，地质灾害或人为建设活动使部分影像本底区域的地形、地物发生了很大的变化，原有的遥感影像数据已无法客观反映现势环境信息； 或者原有的遥感影像质量不佳，难以满足当前应用的要求，亟需对这部分影像数据进行更新。

近年来，我国卫星遥感技术迅速发展，国产高分系列卫星成功发射，卫星影像数据的系统精度和质量稳定性也在不断改善和提高，国产卫星数据的数字正射影像地图(digital orthographic image map，DOM)精度已经能够满足1∶10 000比例尺制图精度要求[5]，利用国产卫星影像完成1∶10 000及以下比例尺遥感本底数据的更新是可行的。国产遥感卫星数据的日渐增多和应用领域的不断扩大，在遥感影像本底数据更新中正在逐步取代进口卫星数据而成为重要信息源，从而大量节省了数据购置费用，方便了数据获取，已取得明显实际效果。

本文以资源一号(ZY-1)02C及GF-1[6]国产卫星影像为数据源，提出遥感影像本底数据更新的技术方案，包括国产卫星数据的正射纠正、影像增强、数据融合、数据管理与更新等解决方法； 并以全国地质灾害易发区遥感影像本底数据更新为例，验证该方案的适用性和可行性。为规模化开展遥感影像本底数据更新工作提供重要的技术支持。

1 国产卫星影像本底数据处理与更新

本文采用国产ZY-1 02C和 GF-1卫星影像为数据源，进行遥感影像本底数据的更新研究。卫星数据的处理与更新主要包括影像的资料收集与比对、正射纠正、几何配准与数据融合、色调调整、影像镶嵌、裁切分幅和本底数据更新等过程(图1)。

图1 国产卫星数据处理与更新流程图

1.1 RPC正射纠正

卫星影像的正射纠正模型主要有2类： ①严格的几何纠正模型； ②近似几何纠正模型。当遥感影像的成像模型和有关参数为已知时，可根据严格的成像模型来纠正遥感影像，目前最具代表性的是共线方程法。当传感器成像模型为未知或者无法获取正确的相关辅助参数时，可用假定的数学模型模拟成像模型，对影像进行近似的几何纠正。由于国产卫星传感器的镜头结构、轨道参数及成像方式等信息并不对外公开，所以一般用户不可能自己建立这些传感器的严格成像模型。因此，常采用通用的有理函数模型(rational function model，RFM)来完成影像的正射纠正，例如基于有理函数的有理多项式系数(rational polynomial coefficients，RPC)模型[7]。

国产卫星数据提供了相应的RPC参数，故不需要使用大量的控制点来求解。利用传感器系统提供的RPC参数进行正射纠正时，由于RFM是传感器物理模型的再参数化，其内、外方位元素的误差将带来RPC参数的误差，最终会影响几何定位的精度，因此需要对RPC模型进行优化。本文利用少量控制点，采用仿射变换在像方空间中进行补偿运算，并不需要改变已建模型的整体结构，从而达到去除一部分系统误差的目的。

RPC模型的计算方法为

(1)

式中 ： (x,y)为在影像中量测的控制点的影像坐标； (sample，line)为利用RPC模型计算的控制点的影像坐标； (e0，e1，e2)和(f0，f1，f2)为2组坐标之间的仿射变换参数。

利用少量的地面控制点即可解算出仿射变换的参数，这样就能利用仿射变换对用RPC模型计算得到的影像坐标解求出更为精确的行、列坐标，从而达到优化RPC模型的目的。

正射纠正是采用ERDAS或PCI等图像处理软件的正射纠正模块完成的。在收集国产卫星(ZY-1 02C，GF-1等)数据1A级产品的同时，可选择ASTER全球数字高程模型(global digital elevation model，GDEM)或者国产资源三号(ZY-3)测绘卫星标准数据产品的数字表面模型(digital surface model，DSM)等作为DEM数据； 地面控制点则根据需要选择现有的同比例尺或大一个级次比例尺的控制点库、数字线划地图(digital line graphic，DLG)或DOM。选择的正射纠正控制点位于工作区的8个象限范围内，控制点数为12～16个。

图2示出国产卫星ZY-1 02C和 GF-1全色波段数据的正射纠正结果。

(a) ZY-1 02C(b) GF-1

图2 国产卫星全色波段数据正射纠正结果

Fig.2 Orthorectified results of panchromatic data of domestic satellites

1.2 数据配准与融合

以国产卫星全色波段数据的正射影像为基准，对多光谱波段数据进行正射纠正，实现2种分辨率数据在几何位置上的严格配准。

ZY-1 02C数据的全色影像(HR)数据与多光谱影像(MUX)的空间分布不一致，对这2种数据进行配准前，需要根据工作区的范围进行影像拼接、比对和裁切。GF-1数据的全色影像(PAN)与多光谱影像(MSS)空间分布一致，不需要进行裁切。与全色波段数据的正射纠正方法相同，选取12～16个地面控制点，均匀分布于工作区的8个象限范围内。

图3示出国产卫星ZY-1 02C和GF-1全色影像与多光谱影像配准结果。

(a) ZY-1 02C影像配准结果

(b) GF-1影像配准结果

如果全色波段图像清晰度较差，还需要进行锐化处理，以突出其纹理信息，增加融合后影像中地物、地貌的可辨识度，从而提高信息识别和解译的能力。但过度的锐化也会使结果影像中的线条僵硬变形，导致信息表达出现失真。

全色影像与多光谱影像的融合方法很多，在信息量丰富、地物光谱信息和纹理信息保真等方面各有所长，在实际处理中采取何种融合方法，视具体情况而定。本文较多地选择了基于特定传感器的Gram-Schmidt(GS)方法(一种光谱锐化高保真的影像融合算法)进行数据融合，该方法与其他融合方法相比主要有2方面的特点： ①基于最小二乘算法对参与融合的影像灰度值进行最佳匹配，使原始影像与融合后的多光谱、全色影像之间的灰度值关系达到近似，使融合后的影像在色彩保真的同时保留了地物纹理特征和空间分布细节； ②GS算法对参与运算的所有波段进行统计分析，以消除融合效果对作业人员工作经验的依赖，使其程式化程度有所提高，从而提高了影像融合的效率。图4示出国产卫星ZY-1 02C和GF-1 影像的融合结果。

(a) ZY-1 02C影像(b) GF-1影像

图4 国产卫星影像融合效果

Fig.4 Fusion effects of domestic satellite images

1.3 精度检验

本文选择的2个样本区分别位于云南省楚雄州禄丰县和云南省昭通市鲁甸县，分别属于山地和高山地区。以《基础地理信息数字成果1∶5 000，1∶10 000，1∶25 000，1∶50 000，1∶100 000数字正射影像图标准规范》为准，对平面位置中误差的要求见表1。

表1 精度要求

以平面位置中误差的2倍为最大误差限值，以1∶50 000比例尺DOM为真值，对国产卫星数据处理结果进行精度检查，以检验其正确性和精度。

1.3.1 ZY-1 02C正射影像精度检查

ZY-1 02C正射影像获取时间为2012年11月21日，影像景号分别为0000838556_HRC,0000838480_MUX和0000838480_PAN。随机选择12个检查点，在整景影像中均匀分布。如表2所示，平面误差最大值为11.460 m，最小值为2.290 m，均方根误差(RMSE)为6.638 m。ZY-1 02C正射影像的精度可以满足1∶5万比例尺遥感影像本底数据库的平面精度要求[8]。

表2 ZY-1 02C正射影像精度检查表

续表2

①Ximage和Yimage分别为影像的x和y坐标； ②Xmap和Ymap分别为DOM的x和y坐标。

1.3.2 GF-1正射影像精度检查

GF-1正射影像的获取时相为2013年12月7日，景号为GF1_PMS2_E103.3_N27.1_20131207_L1A0000127815。随机选取16个检查点，在整景影像中均匀分布。如表3所示，平面误差最大值为6.247 m、最小值为0.337 m，均方根误差(RMSE)为2.780 9 m。GF-1正射影像的可以满足1∶5万比例尺遥感影像本底数据库的平面精度要求[8]。

表3 GF-1正射影像精度检查表

①Ximage和Yimage分别为影像的x和y坐标； ②Xmap和Ymap分别为DOM的x和y坐标。

1.4 本底数据更新

基于国产卫星数据的地质灾害易发区遥感本底数据更新工作主要包括：

1)首先判断原有数据是否需要更新。判断需要更新的原则主要有： ①影像数据陈旧，由于城市发展和建设，原有影像中新增地物缺失或者原有地物消失； ②旧影像数据中有较多的云雪覆盖或者遮盖了重要的道路、居民地、标志型建筑、地质灾害体、地质构造体等地物； ③旧影像数据的质量不好，如清晰度不够、分辨率较低、只有黑白影像等； ④在地质灾害发生区内，由于地质灾害造成的地物、地形改变以及灾后重建活动，使旧影像资料已经无法反映客观现实的环境； ⑤地质灾害的预警、预报工作需要增加更具现势性的影像数据； ⑥其他出于环境监测需要的数据更新等。

2)收集整理本底数据更新区的地理控制资料和DEM。

3)收集、整理、处理需要更新的国产卫星影像本底数据。

4)成果数据质量检查。使用旧的DOM检查更新后DOM的正确性，主要检查影像覆盖区域的完整性和同名地物的一致性。

5)制作更新后DOM元数据，并经检查正确后，将成果数据入库。

2 地质灾害易发区影像本底数据建立

地质灾害易发区遥感影像的本底数据是正射影像数据的集合，高分遥感正射影像数据及其元数据和本底数据库管理工具是基于ArcGIS平台开发的。利用多时相、多分辨率遥感数据源，采用遥感数字影像处理技术，进行以灾害信息提取为目的的遥感影像整理、变换、配准、拼接和处理，制作高分遥感正射影像本底数据(图5)。

基于数字正射影像制作和数据库管理技术，进行成果影像元数据等数据分发管理的支持文件制作。

图5 高分遥感正射影像本底数据库建立流程

3 地质灾害易发区本底数据更新

基于国产卫星数据的地质灾害易发区遥感本底数据的更新流程见图6。以上述处理完成的国产正射影像数据为信息源，进行地质灾害易发区遥感影像本底数据的更新是可行的； 且国产卫星数据有较高的时间分辨率(GF-1号卫星重访周期为4 d)，便于及时获取多时相遥感数据，更有效地为地质灾害调查、评估和灾后重建等工作提供信息支持。ZY-1 02C卫星全色波段数据空间分辨率为2.36 m，GF-1卫星全色波段数据空间分辨率为2 m，可以满足1∶50 000比例尺遥感影像本底数据更新的要求。图7为基于国产卫星数据的地质灾害易发区遥感影像本底数据更新的5个示例。

图6 基于国产卫星数据的地质灾害易发区遥感 本底数据更新流程

2009年2012年10月26日

(a) 昆明市西山区观音山ZY-1 02C影像

(2009年数据类型不一，黑白彩色数据交错； 2012年数据更新后数据类型统一，色调和谐)

图7-1 基于国产卫星数据的地质灾害易发区遥感影像本底数据更新示例

Fig.7-1 Examples of background data update for geological hazard prone areas based on domestic satellite images

2009年2012年12月17日

(b) 云南省双柏县法脿镇ZY-1 02C影像

(2009年数据有较多云覆盖，分辨率为5 m，2012年数据更新后无云，且分辨率提高)

2009年2014年5月23日

(c) 贵州省赫章县所辖区域GF-1影像

(2009年数据云量较大，对地物地貌遮盖较多； 2014年数据更新后无云遮盖)

2011年(地震前) 2014年10月31日(地震后)

(d) 云南省鲁甸县GF-1影像

(居民地形状及大小分布均发生了明显变化)

2011年(地震前) 2014年10月31日(地震后)

(e) 云南省鲁甸县GF-1影像

图7-2 基于国产卫星数据的地质灾害易发区遥感影像本底数据更新示例

Fig.7-2 Examples of background data update for geological hazard prone areas based on domestic satellite images

4 结论

1)本文以国产遥感卫星数据为信息源，提出了遥感影像本底数据更新的技术方案，包括从遥感数据的正射纠正处理、数据增强与融合、数据镶嵌与正射影像生成直到本底数据更新，旨在将遥感影像的处理和本底数据更新工作程式化，提高工作效率，以便在国产卫星影像数据库更新工作中更好地发挥作用。

2)以地质灾害遥感影像本底数据更新为应用用实例，验证了本文提出的国产卫星影像本底数据更新技术方案的适用性和可行性。讨论了国产ZY-1 02C和GF-1卫星正射影像数据的精度，2个不同地形、地貌样本区影像正射纠正的均方根误差(RMSE)分别为6.638 0 m和2.780 9 m； 以这2种国产卫星数据为信息源，可以满足1∶50 000比例尺地质灾害易发区遥感影像本底数据的平面精度要求。

3)随着高分系列卫星的成功发射和相继投入使用，国产遥感卫星数据势必会逐步取代进口卫星数据而成为我国各应用领域的重要信息源。未来的国产高分遥感卫星数据将会以其更高的几何精度和空间分辨率在1∶25 000和1∶10 000比例尺地质灾害易发区遥感影像本底数据制作和更新中得到进一步应用。

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(责任编辑： 刘心季)

Practical solution for background data update of domestic satellite images：A case study of remote sensing images of geological hazard prone areas

ZHANG Youying1， YU Jiangkuan1， ZHANG Dandan1， LIN Huanuan2

(1.ChinaAeroGeophisicalSurveyandRemoteSensingCenterforLandandResources，Beijing100083，China；2.ChinaUniversityofGeosciences(Beijing)，Beijing100083，China)

With the popularization and application of high resolution remote sensing data of domestic satellite image, the imported satellite data will be partially substituted as the preferred data source in the updating of remote sensing background data. Using the ZY-1 02C and GF-1 images, the authors proposed a practical technical scheme of remote sensing image background data update and, taking remote sensing image data update in geological hazard prone areas as an example, verified the applicability of the method for updating the background data . The accuracy can meet the plane accuracy requirements of the remote sensing image background data at the 1∶50 000 scale. The technical solutions are reasonably practicable. and can provide important technical support for the development of remote sensing image background data update as well as expansion of the domestic satellite data in the field of geological disaster survey and monitoring and other fields. It has certain popularization value.

domestic satellite； ZY-1 02C； GF-1； remote sensing image background data； updating

10.6046/gtzyyg.2017.01.23

张幼莹,余江宽,张丹丹,等.国产卫星影像本底数据更新的实用方案——以地质灾害易发区遥感影像为例[J].国土资源遥感,2017,29(1)：149-157.(Zhang Y Y,Yu J K,Zhang D D,et al.Practical solution for background data update of domestic satellite images： A case study of remote sensing images of geological hazard prone areas[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(1)：149-157.)

2015-08-21；

2015-10-02

中国地质调查局地质调查项目“灾害易发区遥感地质综合解译”(编号： 1212011220161)资助。

张幼莹(1962-)，女,教授级高级工程师,主要从事遥感与GIS等方面的研究工作。Email： zhangyy62@163.com。

TP 79

A

1001-070X(2017)01-0149-09